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Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenpumpe,
mit einem in einem Gehäuse angeordneten Stator und Rotor, der über eine an der einen
Rotorstirnseite eingreifende, eine axiale Druckkraft auf den Rotor ausübende Federkupplung
mit einer in koaxialer Verlängerung des Rotors gelegenen Anschlußwelle drehbar ist.
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Bei einer aus DE-AS 23 34 138 bekannten Radialkolbenmaschine der vorgenannten
Bauart ist zwischen Anschlußwelle und Rotor eine Federkupplung in Form einer vorgespannten
Druckfeder für einen drehelastischen Eingriff vorgesehen, um bei ausreichender Drehmomentübertragung
eine gute Dämpfung der im Betrieb auftretenden Geräusche zu erzielen, die durch
Schwingungen einzelner Bauteile infolge Druckpulsation erzeugt werden. Durch die
Vorspannkraft
| der Druckfeder wird auf den Rotor eine Axialkraft aus- |
| geübt, die durch einen Bund eines gehäusefesten Bauteils |
| aufgenommen wird, wobei Rotor und gehäusefestes Bauteil |
| in metallischer Berührung stehen und damit Reibungsverluste |
| im Betrieb auftreten, die insbesondere bei Radialkolben- |
| maschinen kleinerer Leistung den Wirkungsgrad beeintrachti- |
| gen. |
| Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radialkol- |
| benmaschine einfachen Aufbaus mit geringer Geräuschent- |
| wicklung während eines Betriebs zu schaffen, bei der in |
| axialer Richtung des Rotors praktisch keine Reibungsverluste |
| auftreten. |
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Gelöst wird die Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß der
Rotor axial verschieblich in dem Gehäuse aufgenommen und zumindest ein Bereich der
der Federkupplung abgewandten anderen Rotorstirnseite mit einem über dem Saugdruck
der Maschine liegende Aufladedruck beaufschlagt ist.
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Dadurch wird der Rotor in axialer Richtung von der als Feder ausgebildeten
Kupplung und einem hydraulischen Druck auf der entgegengesetzten Seite so zentriert,
daß in axialer Richtung keine metallischen Berührungen und damit Reibungsverluste
auftreten. Dies verbessert besonders bei kleinen Leistungen den Wirkungsgrad einer
Radialkolbenmaschine entscheidend und unterstützt einen geräuscharmen Betrieb. Besonderer
Vorteil der Erfindung ist, daß die Federkupplung bei nicht betriebener Maschine
minimal durch Vorspannkraft beansprucht ist, insbesondere dann, wenn als Federkupplung
eine Druckfeder vorgesehen ist.
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Der Bereich der anderen Rotorstirnseite ist zweckmäßigerweise durch
einen Sektorbereich gebildet, der von der Saugseite der Maschine räumlich getrennt
ist.
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Insbesondere beträgt der Sektorbereich des Rotors etwa 1800, der für
eine Beaufschlagung mit dem Aufladedruck der Maschine zur Verfügung steht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Rotor
zumindest zwei Radialbohrungen aufweist, in denen mit der Hubkurve des Stators in
Eingriff bringbare Radialkolbenelemente geführt sind.
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Insbesondere ist das Radialkolbenelement eine auf der Hubkurve des
Stators abrollende Kugel, wobei die Hubkurve im Axialschnitt des Stators Konkavform
entsprechend dem Kugeldurchmesser besitzt.
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In alternativer Weise kann das auf der Hubkurve des Stators abrollende
Radialkolbenelement walzenförmig ausgebildet sein.
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Auch kann das Radialkolbenelement in einem Gleiteingriff zur Hubkurve
stehen.
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Der Rotor ist zweckmäßigerweise axialverschieblich auf einem Steuerzapfen
abgestützt, der zumindest eine erste Innenbohrung aufweist, die mit der Radialbohrung
zwecks Druckbeaufschlagung des Radialkolbenelements verbindbar ist, wenn letzteres
in einer Drehstellung im Bereich der Saugseite der Maschine gelegen ist.
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Ferner ist im Steuerzapfen des Rotors zumindest eine mit dem Druckanschluß
der Maschine verbundene zweite Innenbohrung
vorgesehen, die mit
der Radialbohrung des Rotors verbindbar ist, wenn das Radialkolbenelement in einer
Drehstellung im Bereich der Druckseite der Maschine gelegen ist.
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Eine kompakte Anordnung mit geräuscharmem Betrieb ergibt sich, wenn
innerer Rotor und äußerer Stator als bauliche Einheit vorgesehen sind, die über
elastische und abdichtende Mittel im Gehäuse angeordnet ist, wobei der Stator dreh-
und axialfest, jedoch elastisch mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Zweckmäßigerweise ist im Druckanschluß der Maschine ein Radialzwischenstück
mit einem Radialdurchgang eingesetzt, durch das der Stator drehfest und elastisch
gehalten ist.
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Insbesondere ist das Radialzwischenstück durch einen elastischen O-Ring
am Stator abgedichtet, wobei sich der O-Ring an einem Backring abstützt. Die elastische
Aufhängung dient insbesondere der Geräuschminderung.
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Die elastischen und abdichtenden Mittel der baulichen Einheit aus
Stator und Rotor sind zweckmäßigerweise ebenfalls zwei durch Backringe am Stator
abgestützte O-Ringe, wobei der radiale Sauganschluß der Maschine zwischen den beiden
O-Ringen angeordnet ist.
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Die Hubkurve ist vorteilhafterweise der Innenumfang eines Hubrings,
der in einem Statorteil eingesetzt ist. Bei einem kugelförmigen Radialkolbenelement
ist der Hubring im Statorteil axialverschieblich gelagert.
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In alternativer Weise kann die Hubkurve der Innenumfang eines Hubrings
sein, der im Gehäuse
eingesetzt ist. Auch hier ist der Hubring
im Gehäuse axial verschieblich, wenn ein kugelförmiges Radialkolbenelement vorgesehen
ist.
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Vorteilhaft läßt sich der über dem Saugdruck der Maschine liegende
Druck zur Beaufschlagung der Rotorstirnseite durch eine dem Aufladeanschluß der
Pumpe vorgeschaltete Ladepumpe erzeugen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung einer Ladepumpe ist gebildet
durch die exzentrische Anordnung des Rotors zu Hubring und Stator und durch die
über die Rotorumfangsfläche hinausragenden Bereiche der Kolben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Ladepumpe
zweistufig ausgebildet ist, wobei die erste Stufe gebildet ist durch die exzentrische
Anordnung des Rotors zu Hubring und Stator und durch die über die Rotorumfangsfläche
hinausragenden Bereiche der Kolben und die zweite Stufe gebildet ist durch einen
von Stator und Rotor abgegrenzten Ringraum und ein im Ringraum in Drehrichtung hinter
dem Aufladeanschluß angeordnetes Stauelement.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kugelpumpe, Fig. 2 einen Radialschnitt der Pumpe nach
Fig. 1 durch die Rotormitte Fig. 3 einen Radialschnitt einer weiteren Einzelheit
der Pumpe nach Fig. 1, Fig. 4 einen Axialschnitt einer anderen Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Kugelkolbenpumpe, Fig. 5 einen der Fig. 2 ähnlichen Radialschnitt
der Pumpe nach Fig. 4.
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Fig. 6 und Fig. 7 Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform
der Kugelpumpe.
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In Fig. 1 ist eine Kugelpumpe mit einem auf der einen Stirnseite 19
geschlossenen topfartigen Gehäuse 20 gezeigt, in dem eine bauliche Einheit über
elastische und abdichtende Mittel 16 in Form von O-Ringen und zugeordneten Backringen
drehund axialfest, jedoch elastisch aufgenommen ist. Die elastische Aufhängung der
baulichen Einheit dient der Geräuschminderung im Betrieb.
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Die bauliche Einheit besteht im wesentlichen aus einem äußeren Stator
mit einem einen mittigen Steuerzapfen 21
abstützenden Statorteil
3 und aus einem auf dem Steuerzapfen 21 drehbar abgestützten axialverschieblichen
Rotor 1 mit Radialbohrungen 22 zur Aufnahme von kugelförmigen Radialkolbenelementen
lo, die im Betrieb auf einem äußeren, den Kugeln angepaßten feststehenden exzentrisch
zum Rotor 1 angeordneten Hubring des Stators abrollen.
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Der Hubring ist axialverschieblich im Stator gelagert.
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Die eine (gemäß Fig. 1 rechte) Stirnseite des Rotors 1 weist diametrale
Sackbohrungen auf, in die die geradlinigen Enden einer dreh- und axialelastischen
Federkupplung 2 eingreifen, welche ihrerseits mit einer Anschlußwelle 30 eines Motors,
z. B. Elektromotors, drehfest verbunden ist, wie dies in Fig. 1 in strichpunktierter
Linie gezeigt ist.
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Im montiertem Zustand der Anordnung ist die Kugelpumpe mit ihrem topfartigen
Gehäuse 20 am Motor angeflanscht, der die Pumpe antreibt.
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Die Kugelpumpe besitzt einen Saugstutzen mit einem radialen Sauganschluß
7, der zwischen den elastischen abdichtenden Mitteln 16 über eine Radialbohrung
8 im Stator zur Saugseite der Pumpe Hydraulikmedium leitet. Der Stator besitzt in
Höhe der Saugseite 9 auf der anderen Seite des Hubrings einen eingefrästen Durchgang
15, so daß die mit der Federkupplung 2 eingreifende Stirnseite des Rotors mit der
Saugseite 9 der Pumpe hydraulisch verbunden ist.
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Die Kugelpumpe weist ferner einen radialen Druckanschluß 25 auf, der
an geeigneter Stelle auf dem Umfang der Pumpe zwischen den elastischen und abdichtenden
Mitteln 16 gelegen ist. In den Druckanschluß 25 ist, wie dies im einzelnen in Fig.
3 gezeigt ist, ein Radialzwischenstück 4 mit einem Radialdurchgang 14 eingesetzt,
das in eine
zugeordnete Radialaussparung des Stators mit Radialdurchgang
zum zentralen Steuerzapfen 21 über einen elastischen O-Ring 5 eingreift, der sich
an einem Backring 6 abstützt. Die durch O-Ring 5 und Backring 6 gebildete elastische
Abstützung verhindert eine direkte metallische Berührung zwischen Stator und Zwischenstück
4 und damit eine Übertragung von Körperschall. Gleichzeitig dient sie neben den
elastischen Mitteln 16 zusätzlich zur Aufnahme des im Betrieb auf den Stator ausgeübten
Drehmoments und sorgt dafür, daß die bauliche Einheit insgesamt drehfest mit genau
berechenbarer Drehelastizität im Pumpengehäuse 20 abgestützt ist.
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Der Stator weist diametral zur Saugseite 9 eine Aufladedruckseite
13 auf, die mit einem Axialdurchgang 14des Stators verbunden ist, welcher seinerseits
zum stirnseitigen Boden des Gehäuses 20 führt. Die der Stirnseite 19 des Gehäuses
20 zugewandte Stirnwand 18 der baulichen Einheit ist in Axialrichtung bezüglich
des Gehäusebodens beabstandet, so daß eine Kammer 12 ausgebildet ist, die mit der
Aufladedruckseite 13 der Pumpe in Verbindung steht.
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Der Stator ist im Bereich der Aufladedruckseite 13 umfangsmäßig ausgespart
in einer Weise, daß zwischen Rotor 1 und Stator ein Spalt gebildet ist, so daß ein
Sektorbereich der (gemäß Fig. 1 linken) Stirnseite 32 des Rotors 1 im Betrieb durch
den Aufladedruck beaufschlagbar ist. Der Druckbeaufschlagungsbereich beträgt im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 etwa 1800 und umfaßt in radialer Erstreckung den
gesamten Rotorring.
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Der zentrale bezüglich des Stators feststehende Steuerzapfen 21 besitzt
eine erste axiale Innenbohrung, die mit der Radialbohrung 22 des Rotors 1 in Verbindung
steht, wenn sich das der Radialbohrung 22 zugeordnete kugelförmige Kolbenelement
10 auf der Saugseite (gemäß Fig. 2 oben) befindet. Ferner weist der Steuerzapfen
21 eine zweite axiale Innenbohrung 24 auf, die
mit der Radialbohrung
22 des Rotors verbunden ist, wenn das zugeordnete Kolbenelement 10 eine Drehstellung
einnimmt, die der Druckseite der Pumpe entspricht (gemäß Fig. 2 unten). Die zweite
Innenbohrung 24 ist durch einen Stopfen 17 von der Kammer 12 abgetrennt und über
einen Radialanschluß mit dem Druckanschluß 25 verbunden, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht
ist.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Kugelpumpe beschrieben.
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Bei einem Antrieb der Anschlußwelle 30 eines (nicht dargestellten
Elektromotors wird der Rotor 1 durch die elastische Federkupplung in Drehung versetzt,
wobei die kugelförmigen Kolbenelemente 10 unter Fliehkrafteinwirkung am äußeren
Hubring abrollen. Aufgrund der Exzentrizität zwischen Rotor und Stator wird ein
äußerer Arbeitsraum 11 veränderlichen Volumens gem.
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Fig. 2 gebildet, so daß das Hydraulikmedium vom Sauganschluß 7 zur
Saugseite 9 angesaugt, im Arbeitsraum 11 verdichtet und auf der Aufladedruckseite
13 ausgedrückt wird. Da die Druck-0 seite 13 sich über ca. 180 des Rotors erstreckt
und zwischen Rotor und Stator im Bereich der Druckseite ein Spalt gebildet ist,
ist ein Sektorbereich der Rotorstirnseite druckmittelbeaufschlagt und übt einen
hydraulischen Druck in Richtung Federkupplung 2 aus, so daß der auf dem Steuerzapfen
axialverschiebliche Rotor 1 in axialer Richtung zentriert und berührungsfrei bezüglich
des Stators gehalten wird.
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Infolge der in axialer Richtung berührungsfreien Lage des Rotors treten
keine axialen Reibungsverluste auf, und es kann somit die Pumpe mit gutem Wirkungsgrad
betrieben werden.
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Das Druckmittel der Druckseite 13 gelangt durch den Axialdurchgang
14 zur Kammer 12 und von dort durch die erste Innenbohrung 23 des Steuerzapfens
21 in die Radialbohrung 22 eines sich auf der Saugseite befindlichen Kolbenelements
1O, so daß dieses neben der Fliehkraft auch durch den erzeugten Pumpendruck radial
an den äußeren Hubring gedrückt wird. Bei einer Drehung des Kolbenelements 10 von
der Saugseite zur Druckseite wird das Druckmittel der Radialbohrung 22 der zweiten
Innenbohrung 24 des steuerzapfens 21 zugeleitet
und gelangt von
dort durch den Druckanschluß 25 zum Verbraucher.
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Die in den Fig. 4 und 5 veranschaulichte Ausführungsform einer anderen
Kugelpumpe entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau der Kugelpumpe nach den Fig.
1 bis 3. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist keine aus Stator und
Rotor bestehende Einheit vorgesehen, die in elastischer Weise körperschalldämmend
im Maschinengehäuse 20 aufgenommen ist. Vielmehr ist die Hubkurve, die in axialer
Richtung dem Querschnitt des kugelförmigen Kolbenelements 10 angepaßt ist, axialverschieblich
im Gehäuse 20 gelagert.
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Im Betrieb wird das Hydraulikmedium vom Sauganschluß 7 wie beim Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 1 bis 3 angesaugt, anschließend im Arbeitsraum 11 verdichtet und auf
der Druckseite 13 ausgedrückt, wobei ein Gegendruck zum Axialdruck der Federkupplung
2 auf der Rotorstirnseite 32 aufgebaut wird, der den Rotor 1 in axialer Richtung
berührungsfrei zum Maschinengehäuse 20 hält. Das Druckmittel der Druckseite 13 gelangt
durch einen Durchgang 27 des Gehäuses 20 und eine (nicht dargestellte) Radialbohrung
des Steuerzapfens zur ersten Innenbohrung 23 und von dort in die Radialbohrung 22
eines sich auf der Saugseite befindlichen Kolbenelements 1O. Nach einer Halbdrehung
des Kolbenelements 10 von der Saugseite zur Druckseite wird wie beim ersten Ausführungsbeispiel
das Druckmittel der Radialbohrung 22 der zweiten Innenbohrung 24 des Steuerzapfens
21 zugeleitet und anschließend zum Druckanschluß 25 des Verbrauchers geführt. Der
Druckanschluß 25 liegt umfangsmäßig versetzt am Gehäuse, so daß dessen Verbindungskanal
zur zweiten Innenbohrung 24 des Steuerzapfens 21 den Durchgang 27 nicht schneidet.
Auch kann der Durchgang 27 außerhalb der Zeichenebene der Fig. 4 angeordnet sein.
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Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Kugelkolbenpumpe ist ähnlich
ausgebildet wie die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Pumpe.
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Die Kugelkolbenpumpe nach den Fig. 6 und 7 umfaßt ein auf der einen
Stirnseite geschlossenes, topfartiges Gehäuses 50, welches an einer nicht näher
dargestellte Antriebseinrichtung angeflanscht ist. Das Gehäuse 50 besitzt einen
Sauganschluß 51 und einen in einen Sammelraum 52 mündenden, nicht näher dargestellten
Druckanschluß.
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Im Inneren des Gehäuses 50 befindet sich eine Rotor-Stator-Einheit,
die über elastisch abdichtende Stützkörper 53 in Form von O-Ringen am Gehäuse 50
abgestützt ist.
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Die Rotor-Stator-Einheit besteht im wesentlichen aus einem äußeren
Stator 54 und einem inneren, in einer topfartigen Vertiefung 61 des Stators 54 angeordneten
Rotor 56. Diese Einheit wird in einer drehfesten Lage gehalten durch den Stator
54 und Gehäuse 50 gegeneinander verriegelnden Stützstift 55, der in Bohrungen in
den Stirnflächen von Stator 54 und Gehäuse 50 angeordnet ist.
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An einer Innenumfangswand der Vertiefung 61 des Stators 54 ist weiter
ein Hubring 57 mit exzentrischer Laufläche 58 für die Kugelkolben 59 angeordnet.
Zwischen Lauffläche 58 und gegenüberliegendem Teil der Rotorumfangsfläche ist durch
die exzentrische Anordnung ein ringförmiger Arbeitsraum 66 gebildet, dessen radiale
Querschnittsabmessung sich. längs des Umfangs verändert. Eine Abschlußscheibe 60
umgreift den aus der Vertiefung 61 ragenden Abschnitt des Rotors 56 und verschließt
die topfartige Vertiefung 61 des Stators in axialer Richtung bis auf eine Einlaßöffnung
62.
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Im Innern des Rotors 56 ist eine durchgehenden Radialbohrung 63 ausgebildet,
in deren diametral gegenüberliegenden Abschnitten
jeweils ein Kugelkolben
59 radial verschieblich angeordnet ist.
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Die Kugeln 64 der Kugelkolben 59 rollen bei Drehung des Rotors 56
an der Lauffläche 58 des exzentrisch angeordneten Hubrings 57 ab.
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Der Rotor 56 ist drehbar auf dem in die Vertiefung 61 ragenden Ende
eines zentralen Steuerzapfens 69 angeordnet, der seinerseits in einer Innenbohrung
des Stators 54 gehalten ist.
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Im Innern des Steuerzapfens 69 verläuft ein Zuflußkanal 70 sowie ein
Abflußkanal 71, die durch Drehung des Rotors 56 mit den Innenräumen der Rotor-Radialbohrung
63 verbindbar sind.
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Zwischen dem Boden der topfartigen Vertiefung 61 und der diesem zugewandten
Stirnfläche des Rotors 56 ist ein Ringraum 65 ausgebildet, der radial durch Umfangsflächen
von Rotor 56 und Stator 54 begrenzt wird. Der Ringraum 65 ist mit dem zwischen Lauffläche
58 und Rotor 56 befindlichen Arbeitsraum 66 über eine Ausnehmung 67 verbunden. In
den Ringraum 65 ragt ein parallel zur Ringraumachse angeordnetes Stauelement in
Form eines Stiftes 68, dessen Durchmesser in etwa der radialen Querschnittsabmessung
des Ringraums entspricht. In Drehrichtung vor dem Stauelement befindet sich eine
Anschlußöffnung 77, die mit dem Zuflußkanal 70 verbunden ist.
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Der Rotor 56 ist über eine axial-und drehelastische Federkupplung
72 mit einem Ende der Anschlußwelle 73 der Antriebseinrichtung verbunden. Der Kugelkolben
ist zweiteilig ausgeführt und besteht aus einer radial außen angeordneten Kugel
64 und einer radial innen angeordneten Hülse 74. Kugel 64 und Hülse 74 gleiten in
der Rotor-Radialbohrung 63.
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Die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 6 und Fig. 7 besitzt insgesamt drei
Pumpstufen. zunächst erfolgt in zwei Stufen eine Aufladung des am Sauganschluß 51
eintretenden Hydraulikmediums auf den Aufladedruck, das mit diesem Druck der Hochdruckstufe
zugeführt wird. Durch die in den Rotor-Radialbohrungen 63 gleitenden Kugelkolben
59 wird die Druckerhöhung in der Hochdruckstufe bewirkt.
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Der Arbeitsraum 66 der ersten Aufladestufe befindet sich zwischen
Lauffläche 58 und Rotorumfangsfläche und wird durch die über die Rotorumfangsfläche
hinausragenden Kugeln 64 unterteilt.
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Der Arbeitsraum der sich anschließenden zweiten Aufladestufe ist der
Ringraum 65, in den axial der Stift 68 hineinragt.
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Beim Betrieb der Kugelkolbenpumpe gelangt Hydraulikmedium vom Sauganschluß
51 über die Einlaßöffnung 62 in den Arbeitsraum 66 zwischen Rotorumfangsfläche und
Lauffläche 58 und wird bei Drehung des Rotors unter Druckerhöhung aufgrund des sich
verändernden Volumens über die Ausnehmung 67 in den Ringraum 65 ge,sthoben. Durch
den sich drehenden Rotor 56 wird eine kreisförmige Strömung im Ringraum 65 hervorgerufen.
Durch den den Querschnitt des Ringraums 65 in etwa abdeckenden Stift 68 wird das
Hydraulikmedium an dieser Stelle gestaut und eine weitere Druckerhöhung durch den
Staudruck im Hydraulikmedium erzeugt.
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Das hydraulikmedium weist nun den Aufladedruck auf und gelangt über
die Anschlußöffnung 77 in den Zuflußkanal 70 im Steuerzapfen 69 und in einem bestimmten
Drehbereich über den Zuflußkanal 70 im Steuer zapfen 69 in den Hochdruckarbeitsraum
im Inneren der Rotor-Radialbohrung 63. Nach einer bestimmten Weiterdrehung des Rotors
56 ist der Hochdruckarbeitsraum mit dem Abflußkanal 71 im Steuer zapfen 69 verbunden,
der über eine im Stator 54 angeordnete Verbindungsleitung 76 mit einem Sammelraum
52 zwischen Stator 54 und Gehäuse 50 verbunden ist, in den schließlich der Druckanschluß
mündet.
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Beim Betrieb der Pumpe wird der Rotor 56 durch den in dem Ringraum
65 herrschenden Druck in Axialrichtung gegen die in dieser Richtung elastische und
eine Vorspannkraft auf den Rotor ausübende Federkupplung 72 gedrückt und liegt somit
nicht am Stator 54 an.
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